[FA저널 SMART FACTORY 편집국] 에머슨은 계속해서 변화하는 전력 수요에 따라 전기 사업자들은 가동 중지 시간을 최소화하면서 전력 자산의 신뢰성을 최대화할 수 있도록 노력 중이다. 배전의 주 연결점인 중압 개폐장치는 전력망 내 가장 취약한 연결 수단 중 하나다. 이런 취약한 자산들은 과도한 부하로 인한 과열, 정상적인 마모 및 파손, 까다로운 환경 조건에 쉽게 노출된다. 이런 환경들은 방치됐을 때 고장을 유발하며 돈이 많이 드는 개폐장치 및 주변 장비의 손상, 전력 생산 손실, 그리고 심한 경우 심각한 부상이나 사망으로 이어질 수 있다.

조건 기반 모니터링은 꽤 오랫동안 사용됐으며 대부분의 경우 개폐장치의 전원이 꺼진 상태에서 주기적인 수동 점검을 통해서 이뤄졌다. 연속적 모니터링을 적용하는 것으로 전기 사업자들은 개폐장치의 정상적인 가동 조건에서 생성되는 데이터를 수집하고 실시간으로 문제를 확인할 수 있다. 전부하 전기 응력, 진동, 절연파괴, 환경적 영향에 관한 실시간 동향은 사업 자산의 상태에 대한 정보를 빠르게 제공한다. 연속적 모니터링 수행 시 중요한 것은 저하 부분의 정확한 위치를 찾아내는 것이 아니라 시간의 흐름에 따른 결함의 동향을 이해하는 것이다. 가장 일반적인 고장 모드를 모니터링하고 그 동향을 확인할 수 있는 능력으로 계획되지 않은 정지로 이어질 수 있는 자산 고장의 위험을 부담하는 대신 시간의 흐름에 따른 자산의 상태를 평가할 수 있는 계획된 정비를 할 수 있다. 일반적인 고장 모드에는 과도한 온도, 부분 방전(Partial Discharge) 및 습도가 있다.

열 모니터링
개폐장치 내 주요 연결점에 대한 연속적 모니터링을 적용하기 위해서는 시스템이 기준 충격 강도(BIL)로 알려진 충격 내전압(Uimp)을 유지해야 한다. 따라서 각기 다른 강도를 가진 전도체들은 정격 충격을 보장하고 고장을 예방하기 위해서 각각 최소한의 거리를 유지해야 한다. 예를 들어 IEEE 표준협의회의 ‘C37.20.3 : 폐쇄 차단 개폐장치, 5.2절’에서는 최대 15kV의 전압을 가진 개폐장치가 약 160mm의 거리(공중)에 대해 95kV의 충격 전압을 가져야 한다고 명시하고 있다. 이 요구사항에 따라 가장 흔한 유형의 직접 접촉 온도 모니터링 시스템은 사용하지 않으면서 개폐장치 온도 모니터링에 비방해적 시스템만을 고려하게 된다. 사용할 수 있는 비방해적 옵션에는 광섬유 시스템, 적외선(IR) 모니터링 및 무선 직접 접촉 센서들이 있다.

일반적인 MV 고장 모드(과도한 온도, 부분 방전, 습도)의 연속적 실시간 모니터링은 이 MV 개폐장치에 가해진 손상을 예방할 수 있었을 것이다.

기술자의 주기적인 IR 모니터링
주기적인 적외선 모니터링 기술은 비교적 고가의 IR 카메라인 유리창을 개폐장치에 설치해야 하고 기술자를 필요로 한다. 지속적 모니터링 방법론이 아니기 때문에 이는 실용적인 선택 사항이 아니라고 할 수 있다.

지속적 IR 센서
비방해적이고 지속적이지만 장착 위치에 한계가 있다. 실행 가능한 솔루션이나 인접한 표면이 각기 다른 방사율이나 반사를 갖고 있을 때에는 측정 한계가 존재한다. 또한, 가시선이 요구되기 때문에 유틸리티 직원이 버스 절연체 및 케이블 가리개 뒤에서 모니터링 절차를 수행할 수 없다. 마지막으로 단일 화소 카메라를 올바르게 정렬하는 것이 어렵고 진동이나 충격을 받았을 때의 조정 불량에 취약하다.

MV 개폐장치 열 핫스팟 모니터링에 사용된무선 비활성 직접 접촉 SAW 온도 센서

광섬유 시스템
섬유는 직접 표면 접촉을 필요로 하며 비록 비방해적으로 고려될 수 있지만 광섬유 시스템은 일반적으로 구매 및 설치에 비용이 많이 들어간다. 또한, 실제 필드 조건에서 흔히 있는 경우인 먼지가 많고 습한 환경에서의 운영시 광섬유 케이블은 전도성의 접지 경로를 생성하며 앞서 언급한 내전압을 위태롭게 한다.

무선 활성 직접 접촉 센서
언뜻 보기에는 이들 시스템이 적절한 솔루션처럼 보인다. 그러나 안타깝게도 배터리는 제한된 수명을 갖고 있고 이는 고온 환경에서 특히 더 감소된다. 배터리 교체를 위해 개폐장치를 중지하는데 들어가는 비용은 운영적인 측면에서 옹호될 수 없으며 그 결과 시스템 소유권의 실제 비용을 상승시키게 된다.

용착된 IDT 및 반사체와 수정 결정체를 보여주는 일반적인 SAW 온도 센서의 설계 콘셉트

무선 비활성 직접 접촉 센서
무선 비활성 센서 시스템은 모든 주요 측정점으로의 직접 연결을 통해 연속적 실시간 모니터링을 제공한다. 이들 시스템은 설치가 쉽고 유지보수가 필요 없으며 개폐장치 수준의 수명을 갖고 있다. RFID 시스템과는 다르게 표면 어쿠스틱 웨이브(SAW) 온도 센서는 더 긴 측정 거리를 갖고 있으므로 기준 충격 강도를 극대화하고 제어 시스템 전자파 적합성(EMC) 문제를 최소화하기 위해 더 낮은 송전 전력을 사용한다. 앞서 언급한 기능을 고려할 때 이들 센서가 무선 비활성 센싱의 바람직한 선택이라고 할 수 있다.

표면 어쿠스틱 웨이브 모니터링 시스템
표면 어쿠스틱 웨이브 센서는 기계적 응력에 의한 전하를 변경하는 재료 압전기판과 인터디지털 트랜듀서(IDT) 공진기 및 안테나로 구성돼 있다. IDT는 압전기판 위에 용착된 연동 금속 전극을 가진 지퍼와 유사한 장치다. 이들 전극 사이의 간격으로 어쿠스틱 웨이브의 주파수를 결정한다. 가장 흔하게 사용되는 압전(Piezoelectric) 재료는 수정 결정체며 온도에 노출됐을 때 수정은 미시적 수준으로 접촉하고 확장한다. 이 물리적 변화는 IDT 전극 사이의 간격을 바꾸고 결국 표면 어쿠스틱 웨이브의 주파수를 변경시킨다. SAW 온도 센싱 프로세스는 센서의 안테나에서 무선으로 전송되는 교류 전기 신호를 송신하는 호출 유닛을 포함하고 있다. 입력 신호는 압전기판 표면에 기계적 웨이브를 생성하는 IDT에 교번 극성을 생성한다. 공명기에 제한된 표면 웨이브는 전기 신호로 되돌아가고 이는 호출 유닛으로 반향된다. 센서 표면 재질의 환경적 조건에 따라 영향을 받는 에코 주파수는 온도 측정으로 처리된다. SAW 시스템의 무선 비활성 활동은 중압 개폐장치 온도 모니터링시 다양한 이점을 제공한다.

부분 방전 모니터링
절연체가 노화하면서 취약한 부분과 결함이 점점 드러나고 특정한 부하 조건에서는 결함 부위에 절연 파괴가 나타나며 각기 다른 강도를 가진 절연체 사이의 부분 아크를 유발한다. 이런 현상은 부분 방전으로 알려져 있다. 이런 파괴는 작지만 갑작스러운 전류 상승과 함께 전류 펄스, 라디오 또는 빛의 전자기, 어쿠스틱 및 오존 배출을 동반한다. 가장 일반적으로 사용되는 부분 방전(PD) 탐지 계기는 국제전기기술위원회의 ‘IEC 60270 표준 : 부분 방전 측정’에 기술된 대로 고주파 변류기 또는 고압 용량 커플러 내 역서지 전류 및 전압을 직접적으로 측정한다. 이 방법은 펄스 파형을 분석하고 송전선 파형의 단계와 관련된 방전의 그래프를 결합하는 기능 등 다양한 장점을 갖고 있다. 이들 시스템은 매우 비싸며 데이터를 분석하기 위해 숙련된 기술자를 필요로 한다. 그렇기 때문에 영구적이고 연속적 모니터링 설비에는 적합하지 않다.
또한, 커플링 탐지기는 접촉식으로 비록 정격 전압에서 안전하게 작동하도록 설계됐다고 하더라도 먼지, 습도, 주변 절연체의 고장 및 잘못된 설치는 시간이 흐름에 따라 안전성에 영향을 미칠 수 있다. 유틸리티 직원은 현재 어쿠스틱 및 전자기 PD 측정에 관한 표준인 ‘IEC 62478’에 따라 추가적인 부분 방전을 탐지할 수 있는 방법을 평가하고 있다. 이들 계기는 간접 분석 측정을 사용해 시험자가 시스템 경향에 사용할 수 있는 PD 펄스의 상대적 특징을 얻는다. 사용 가능한 일반적인 시스템에는 과도 대지 전압(TEV), 고주파(HF) 초단파(VHF), 어쿠스틱 및 극초단파(UHF)가 있다.
 

회로 차단기 입력 및 출력 버스 연결에 위치한 MV 개폐장치 내부에 설치된 SAW 온도 센서(주황색 센서)

대역 통과 UHF 부분 방전 탐지
PD 탐지 시스템은 개폐장치 절연의 상태를 평가하는데 필요한 정보를 의사 결정자들에게 제공할 수 있도록 개발돼야 한다. 또한, 이런 설계에는 대역 통과 UHF PD 탐지 방법과 모든 중압 개폐장치의 범용적인 설치가 포함돼야 한다. 조건 기반 연속적 유지보수를 위한 부분 방지 탐지의 자율적인 접근 방식은 숙련된 오퍼레이터 없이 엄청난 양의 복잡한 데이터를 간결한 정보로 추출할 수 있는 시스템을 요구한다. 대역 통과 여과 UHF 부분 방지 탐지 방법은 아주 가까운 거리에서의 강한 방해 신호를 피할 수 있으며 첨단 디지털 여과 방식으로 걸러내지 않은 잔류 소음이 있어도 부분 방전의 존재를 탐지할 수 있다.

모니터링 대역 선택하기
시스템 모니터링 대역 선택시에는 개폐장치의 전자기 특성과 부합할 필요가 있다. 100~300MHz의 저주파는 모터, 변압기 및 긴 케이블과 같은 자산에서 흔히 찾아볼 수 있다. 400~800MHz를 배출하는 주파수는 보통 공동 공진에 집중된 중압 개폐장치에서 찾아볼 수 있으며 고주파는 도파관 역할을 하는 버스 덕트에서 찾아볼 수 있다. 모든 설계의 근본적인 어려움은 원하는 대역 밖의 대신호에 의한 ‘전파 방해’ 문제를 피하면서 동시에 대상 측정 대역에서 낮은 소음 지수를 충분히 제공하는 것이라고 할 수 있다. 모니터링 대역의 선택시에는 크기 제약과 비용 목표도 고려해야 한다. 유럽, 아시아 및 아프리카 내 산업, 과학 및 의료(ISM) 장치의 868MHz 주파수와 미국 내 장치의 902~928MHz 주파수는 흔히 1~4W의 전파식별(RFID) 트랜스미터와 같은 고출력 트랜스미터가 인접하게 위치하기 때문에 걸러낼 필요가 있다.

데이터 분석 및 분류
PD 모니터링의 자율적인 접근 방식을 제공하기 위해서는 고급 시스템 알고리즘을 적용해 상태 평가 및 장기적인 시스템 동향을 위해 쉽게 처리될 수 있는 데이터를 제공해야 한다. UHF 방전 신호는 소음, 비대칭 방전 및 대칭 방전 이렇게 세 가지 범주로 크게 분류될 수 있다.

소음
소음은 송전선 주파수와 잘 맞지 않는 선택 주파수 대역 내 UHF 에너지를 의미한다. 외부 라디오 간섭은 소음으로 확실하게 분류될 수 있으며 결함 발생 초기에 나타나는 약하고 불규칙한 부분 방전도 소음으로 분류될 수 있다.

비대칭 방전
금속에서 방출되는 전자가 공기를 이온화하는 전력 파형의 음전 반주기 사이클에서 주로 일어난다. 코로나 또는 표면 방전이라고도 하는 비대칭 방전은 송전선 주파수의 홀수 및 짝수 고조파에서 유의미한 결과를 나타낸다.

대칭 방전
흔히 내부 또는 대칭 부분 방전으로 불리는 대량의 재질에서 나타나는 방전으로, 동력 사이클의 긍정 및 부정 극성 부분에서 발생하며 송전선 주파수의 짝수 고조파로 표시된다.

적절한 안테나 선택하기
휴대용 측량 도구에는 효율성을 고려했을 때 보통 20cm 이상의 크기인 윕(Whip) 방식의 안테나가 사용된다. 중압 개폐장치에서 요구되는 기준 충격 강도에서는 대개 이 유형의 안테나를 사용할 수 없다. 다양한 광대역 안테나 구조가 존재하지만 가장 촉망되는 안테나 중 하나는 아르키메데스 나선이다. 요구 조건보다 살짝 크기는 하지만 이들 안테나는 필요한 주파수 범위를 제공한다. 또한, 유틸리티 작업자들은 금속 벽면에 설치돼 안테나의 효율성을 떨어뜨릴 수 있기 때문에 나선형과 네거티브 반사의 양방향성 모두를 고려해야 한다. 가장 이상적인 옵션은 평판 역F 안테나(PIFA)다. 이들 안테나의 구조는 50~60Hz의 보호접지에 접착된 금속 부품으로 이뤄져 있으며 전체 금속 구조는 내염 ABS 플라스틱 내부에 위치해 적절한 안전 요구사항을 보장하고 있다. 절연 내력은 mm당 32kV로 96kV의 동작 전압을 견디는 절연 기능을 제공한다. 전기 사업자가 안전 분리에 ABS에만 의존해서는 안 되지만 이는 동작 전압과 기준 충격 강도 등급과 관련해 43mm의 공극 감소를 보상하는 추가적인 절연을 제공할 수 있다. 200×175×43mm에서 PIFA 안테나는 가장 작은 개폐장치 설계에도 적절하다고 할 수 있다.

무선을 선택해야 하는 이유
유틸리티 경영진들은 모두 중압 개폐장치가 정상적으로 작동되기를 바란다. 전기 사업자는 안정적이고 비용 효율적인 조건 기반 모니터링 시스템을 통해 그 목적을 이룰 수 있다. 무선 시스템 배치와 관련된 회수 기간이 짧기 때문에 그에 따라 주요 자산의 상태에 맞는 동향 정보는 예측 가능한 유지보수 방식을 통해 신뢰성의 향상과 가동 중지의 감소로 이어질 수 있다. 또한, 전기 사업자는 비활성 센싱 요소를 사용하면서 높은 안전성 기준을 만족할 수 있으며 동시에 정확하고, 신뢰할 수 있고, 손이 많이 가지 않는 열 모니터링을 수행할 수 있다. 선택된 연속적 PD 모니터링 시스템은 영구적이고 안전한 설치를 위해 모든 개폐장치에 맞아야 하며 추세 정보와 부분 방전을 탐지하는데 필요한 실행 가능한 데이터를 생산할 수 있어야 한다. 
 
 글  Jonathan Murray, Jeffrey Andle / IntelliSAW, 에머슨

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